基于全生命周期的住宅建筑項目碳排放研究

摘要：建筑業(yè)作為碳排放的三大行業(yè)（工業(yè)、交通業(yè)、建筑業(yè)）之一，很大程度上影響著2060年“碳中和”目標的實現(xiàn)。以河北省新建住宅建筑業(yè)為例，核算新建住宅建筑項目碳排放量，設置建筑節(jié)能改造、光伏一體化、電力清潔化三種減排情景，測算減排情況，并對降低河北省建筑業(yè)碳排放和建筑業(yè)節(jié)能減排政策制定提供參考。運用全生命周期評價方法，利用碳排放系數(shù)法對河北省建筑業(yè)全生命周期碳排放進行核算，并設定不同情景對碳減排進行測算。結果表明：運行階段的碳排放占建筑全生命周期碳排放的87.44%，其次是建材生產(chǎn)及運輸，占比11.78%。降低運行階段的碳排放依然是降低住宅建筑全生命周期碳排放的首要切入點。減碳情景分析中發(fā)現(xiàn)，對既有建筑進行建筑節(jié)能改造、采用太陽能光伏發(fā)電、電力清潔化都具有較好的碳減排效果。

關鍵詞：建筑項目管理；碳排放；碳減排；全生命周期

0"引言

建筑業(yè)作為全球能源消耗和二氧化碳排放的三大行業(yè)（工業(yè)、交通業(yè)、建筑業(yè)）之一，將很大程度決定全國能否在2060年前實現(xiàn)“碳中和”目標。長期以來，我國建筑工程項目管理更加關注項目的工期、成本和質量等方面，而不夠重視項目對環(huán)境的影響；注重經(jīng)濟效益，而忽略生態(tài)效益。當前的研究，很少有學者同時考慮經(jīng)濟效益和碳排放，而是局限于工期、成本、質量、安全目標的組合優(yōu)化。目前，基于工期、成本、質量和安全目標的工程管理綜合優(yōu)化研究已較為成熟，建模中函數(shù)關系及理論依據(jù)已逐漸完善，求解算法多樣化，如多目標粒子群優(yōu)化算法、多目標微分進化算法。“雙碳”目標背景下，推進建筑項目管理的低碳化有著更為重要的意義。建筑工程項目管理應充分考慮低碳目標，加強對低碳目標的管理和重視。研究全生命周期的工程項目碳排放可以有效推動低碳管理目標的實現(xiàn)。

生命周期評價（LCA）起源于20世紀60年代，隨著建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，LCA已被廣泛地應用于建筑對環(huán)境影響的評價研究。在全球氣候變暖的大環(huán)境下，國內(nèi)外關于建筑碳項目排放的研究快速增長。相關研究主要聚焦于單體建筑全生命周期評價、單類建筑全生命周期評價和建筑生命周期個別階段碳排放核算分析等領域。近幾年，我國對建筑節(jié)能減排及環(huán)境影響研究的重視程度逐漸加強，已經(jīng)取得了初步的研究成果。通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析，各學者對建筑項目碳排放研究的側重點各有不同，但也存在一定的局限性，如建筑生命周期階段劃分存在一定的差異性、片面核算生命周期某一階段的碳排放量、減排策略的研究中只定性提出減排措施未量化計算減排潛力等。

2023年河北省生產(chǎn)總值實現(xiàn)43 944.1億元，常住總人口7393萬人，其人口密度和單位面積能耗在全國都位居前列。河北省作為建筑業(yè)大省，建筑領域碳排放也隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展呈現(xiàn)出上漲的趨勢。河北省重視建筑業(yè)的綠色低碳發(fā)展，相繼出臺一系列政策方案。龔睿歆^[1]指出，區(qū)域能源結構、氣候、居民能源消費水平等是城鎮(zhèn)住宅建筑碳排放的主要影響因素。本研究從體量大、使用人口多、減排潛力巨大的住宅建筑著手，建立河北省住宅建筑全生命周期碳排放核算模型，通過案例研究核算住宅建筑全生命周期各階段碳排放量。基于案例核算結果，從能源系統(tǒng)改進角度設置建筑節(jié)能改造、光伏一體化和電力清潔化三種情景，分析新建住宅建筑各情景下碳減排效果，提出住宅建筑碳減排措施與建議，以期為河北省建筑領域低碳減排提供參考。

1"住宅建筑全生命周期碳排放核算模型建立

1.1"全生命周期碳排放測算框架

本研究依據(jù)《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366—2019）^[2]，結合已有研究成果及數(shù)據(jù)，構建了河北省住宅建筑全生命周期碳排放核算框架，如圖１所示。系統(tǒng)邊界包括建材生產(chǎn)及運輸階段、施工階段、運行階段及拆除回收階段。

1.2"住宅建筑全生命周期碳排放核算公式

住宅建筑全生命周期碳排放量公式如下

Ｃ＝Ｃ_JC＋Ｃ_SG＋Ｃ_YX＋Ｃ_CC

式中，Ｃ為建筑全生命周期碳排放量；Ｃ_JC為建材生產(chǎn)及運輸階段碳排放量；Ｃ_SG為施工階段碳排放量；Ｃ_YX為運行階段碳排放量；Ｃ_CC為拆除回收階段碳排放量。

建材生產(chǎn)及運輸階段碳排放量Ｃ_JC為建筑材料生產(chǎn)和建材自加工廠運輸至施工現(xiàn)場所產(chǎn)生的碳排放量之和。公式如下

C_JC=∑iQ_iF_i+∑iQ_iD_iT_i

式中，Ｃ_JC為建材生產(chǎn)及運輸階段碳排放量；Q_i為建材i的消耗量；F_i為建材i的碳排放因子；D_i為建材i的平均運輸距離；T_i為建材i單位重量運輸距離的碳排放因子。

施工階段碳排放量Ｃ_SG包括施工設備能源消耗與施工現(xiàn)場用電等的碳排放。公式如下

C_SG=∑jQ_jF_j

式中，Ｃ_SG為施工階段碳排放量；Q_j為能源j的消耗量；F_j為能源j的碳排放因子。

運行階段排放量Ｃ_YX包括建筑物的采暖、制冷、照明電氣和熱水供應等的碳排放。公式如下

C_YX=T∑jQ_kF_k

式中，Ｃ_YX為運行階段碳排放量；T為建筑使用壽命；Q_k為能源k的消耗量；F_k為能源k的碳排放因子。

拆除回收階段排放量Ｃ_CC包括建筑拆除過程中機械設備能耗及建筑垃圾運輸能耗的碳排放。公式如下

C_CC=∑mQ_mF_m+∑nQ_nD_nT_n

式中，Ｃ_CC為拆除回收階段碳排放量；Q_m為能源m的消耗量；F_m為能源m的碳排放因子；Q_n為建筑廢棄物n的產(chǎn)生量，D_n為建筑廢棄物n的平均運輸距離；T_n為建筑廢棄物n單位重量運輸距離的碳排放因子。

2"河北省新建住宅建筑全生命周期碳排放測算案例

案例選取河北省新建住宅小區(qū)的一棟住宅樓作為研究對象，研究樓棟結構形式為框架剪力墻結構，建筑面積12 827.38m²，地上25層，地下3層，建筑高度74.25m，設計使用年限50年。項目熱源由市政集中換熱站供給，采用散熱器采暖。采用節(jié)能燈具和智能開關控制系統(tǒng)，降低照明能耗，地下室按區(qū)域分散控制。電梯采用變頻調速技術，搭配智能控制系統(tǒng)。

因該住宅建筑為在建狀態(tài)，根據(jù)建筑工程預算清單進行計算。本文中用到大部分能源的碳排放因子、主要建材及機械臺班碳排放因子均以《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366—2019）^[2]數(shù)據(jù)為準，對于其中缺乏的數(shù)據(jù)，綜合參考我國成熟數(shù)據(jù)庫及已有研究成果。

2.1"建材生產(chǎn)及運輸階段碳排放結果

在建材生產(chǎn)階段，主要建筑材料的使用量和碳排放量見表1。由表1可知，在各類建筑材料生產(chǎn)的碳排放中，混凝土和鋼鐵占比位列前二，分別為45.72%和32.46%，水泥、砂石的占比不高，不足4%和1%。

在建材運輸階段，結合當?shù)亟ㄖ┕た傮w情況及實地調研數(shù)據(jù)，選用最常用的“公路運輸—柴油貨車（載重10t）”運輸方式，對于建筑材料運輸缺失的部分數(shù)據(jù)，參照《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366—2019）^[2]中的規(guī)定設置。碳排放量總計82.09tCO₂e。結合建材生產(chǎn)的碳排放量，建材生產(chǎn)及運輸階段的碳排放量為4 697.22tCO₂e。

綜上所知，建材生產(chǎn)及運輸階段碳排放量主要來自建材生產(chǎn)過程中的碳排放，占比在98%以上。建材運輸過程碳排放量較小，幾乎可以忽略不計。

2.2"施工階段碳排放結果

依據(jù)工程預算書中單位工程人材機匯總表，整理出施工機械種類及臺班數(shù)量。結合《河北省建設工程施工機械臺班單價》^[3]中單位臺班能耗，計算得出施工階段的能源使用量；結合我國《綜合能耗計算通則》（GB/T 2589—2008）^[4]中燃料的平均低位發(fā)熱量，計算得出使用能源的碳排放因子。電力能源的排放因子采用2024年發(fā)布的《關于發(fā)布2021年電力二氧化碳排放因子的公告》，河北省區(qū)域電力平均二氧化碳排放因子為0.790 1kg CO₂/kW·h。根據(jù)《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366—2019）^[2]中相關規(guī)定，按統(tǒng)計出的施工階段施工機械所消耗的能源用量的5%估算施工臨時設施消耗能源用量。施工階段碳排放量見表2。

2.3"運行階段碳排放結果

由于案例建筑屬于在建狀態(tài)，維護更換數(shù)據(jù)缺失，同時建筑材料更換等不確定性因素較多，因此本文僅對建筑運行的碳排放量進行計算。綜合考慮現(xiàn)有民用建筑能耗研究，并借鑒同城市相似規(guī)模住宅建筑能耗調研數(shù)據(jù)，該案例年平均用電量取值30kW·h/m²，年平均天然氣用量取值2m³/m²，集中采暖能耗取值0.377GJ/（m²·a）^[5]。運行階段碳排放量見表3。

2.4"拆除回收階段碳排放結果

由于建筑垃圾的回收利用在建筑材料的生產(chǎn)階段已進行考慮，為避免重復計算，該階段不對其進行另行計算。建筑拆除回收階段參考前人研究得出的拆除階段機械耗能碳排放占建筑施工階段機械耗能碳排放的8.95%^[6]，建筑垃圾的質量可根據(jù)經(jīng)驗，按照建材總質量的80%計算，取平均運輸距離20km^[7]，計算得出機械耗能耗碳排放21.90tCO₂e，建筑垃圾運輸能耗碳排放為42.85tCO₂e，拆除回收階段碳排放合計為64.75tCO₂e。

2.5"全生命周期碳排放總量

計算結果表明，本案例住宅建筑全生命周期碳排放總量為39 870.00tCO₂e，碳排放強度為3 108.20kg CO₂e/m²，其中運行階段占比最高，達87.44%，其次是建材生產(chǎn)及運輸階段，占比11.78%，施工和拆除回收階段占比分別為0.61%和0.16%。

3"減碳潛力分析

在住宅建筑的全生命周期碳排放中，運行階段的碳排放占全生命周期的85％以上，其減碳效果在建筑全生命周期中起著決定性的作用。本文聚焦于建筑全生命周期碳排放量重點的能源系統(tǒng)，基于《加快推動建筑領域節(jié)能降碳工作方案》（國辦函〔2024〕20號）方案中的重點任務，設置三種情景量化減排效果。

3.1"建筑節(jié)能改造

參照《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2023》中對于既有建筑節(jié)能改造的內(nèi)容，在快速、中速、慢速三種改造模式下，北方城市供暖單位面積耗熱量需求為0.25GJ/m²，接近當前系統(tǒng)節(jié)能降耗可達到的極限水平^[5]。計算得出案例建筑運行階段取暖碳排放量為11 278.66t，相比節(jié)能改造前運行階段取暖碳排放減少34.69%，就整個生命周期而言，碳排放減少14.37%。

3.2"光伏一體化

情景設定屋頂安裝太陽能光伏電池板300m²，光伏電池轉換效率取20%，年太陽總輻射取5.7GJ/m²·y，根據(jù)日發(fā)電量（kW·h）=日均太陽輻射（kW·h/m²）×光伏板面積（m²）×光伏板日均效率，計算得出年該情景下年發(fā)電量為95 008kW·h。根據(jù)本文使用碳排放因子0.790 1kg CO₂/kW·h，計算可得太陽能光伏系統(tǒng)50a發(fā)電量的減碳量為3753tCO₂e，就整個生命周期而言，碳排放減少9.4%。

3.3"電力清潔化

河北省電力結構主要為火力發(fā)電，2020年火力發(fā)電占總發(fā)電量的比例約80%，清潔能源發(fā)電所占比重較低^[8]。本文電力清潔化情景采取《關于發(fā)布2021年電力二氧化碳排放因子的公告》，華北區(qū)域電力平均二氧化碳排放為0.712 0kg CO₂/kW·h，計算得出施工階段二氧化碳減排17.62t，運行階段二氧化碳減排1 502.73t，就整個生命周期而言，碳排放減少3.81%。若取全國電力平均二氧化碳排放因子（不包括市場化交易的非化石能源電量）0.594 2kg CO₂/kW·h，整個生命周期碳排放將減少約10%。

4"結語

從住宅建筑的全生命周期角度分析，運行階段的碳排放占建筑全生命周期碳排放的87.44%，其次是建材生產(chǎn)及運輸，占11.78%。由此可知，降低運行階段的碳排放依然是降低住宅建筑全生命周期碳排放的首要切入點。減碳情景分析中，對既有建筑進行建筑節(jié)能改造、采用太陽能光伏發(fā)電、電力清潔化都具有較好的碳減排效果。在建材生產(chǎn)及準備階段，混凝土、鋼鐵的碳排放量之和占建材生產(chǎn)及準備階段的90%以上，是該階段碳排放的主要來源。在建筑運行階段，取暖產(chǎn)生的碳排放占比最大，達48.78%，用電產(chǎn)生的碳排放占比43.61%。

河北省冬季較冷，溫度較低，取暖需求大。實現(xiàn)冬季供暖能源清潔化也是住宅建筑降碳的重要途徑，可通過地熱能、太陽能、生物質能等清潔能源供暖。提高供暖的效率十分必要，通過提高設備性能、科學運行調度以及建筑節(jié)能改造，減少熱量損耗。構建高效合理的建筑可再生能源系統(tǒng)，如太陽能光伏發(fā)電、太陽能熱水等。以數(shù)字化技術減少建筑用能、降低運行過程碳排放，通過使用清潔能源、提高能源的使用效率等手段減少碳排放。受我國一次能源的結構影響，當下的電力結構仍舊是以燃煤為主的火電，實現(xiàn)碳排放的降低較為困難。應該改善河北省發(fā)電能源結構，持續(xù)加大光伏發(fā)電、風水電等清潔能源發(fā)電占比，為建筑能源消費提供更多清潔能源，可有效降低碳排放。實施全過程項目管理，在建材生產(chǎn)階段，加強對綠色材料的使用、提高建筑材料的使用效率和循環(huán)利用；在施工階段，加強綠色節(jié)能技術的應用，同時加強對設備、材料的管理和控制；在運行階段，合理引入高效管理技術，注重建立運行信息數(shù)據(jù)庫，要按照項目設計、規(guī)劃的相關標準與規(guī)范運行。

參考文獻

[1]龔睿歆.中國南方城鎮(zhèn)住宅建筑碳排放影響因素及分區(qū)減排策略研究[D].北京： 中國石油大學， 2021.

[2]住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑碳排放計算標準： GB/T 51366—2019[S].北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2019.

[3]河北省建設工程施工機械臺班單價[M].北京： 中國建材工業(yè)出版社， 2012.

[4]國家市場監(jiān)督管理總局， 國家標準化.綜合能耗計算通則： GB/T 2589—2020[S].北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2019.

[5]清華大學建筑節(jié)能研究中心.2023中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告[R].2023.

[6]李靜， 劉燕.基于全生命周期的建筑工程碳排放計算模型[J].工程管理學報， 2015， 29（4）： 12-16.

[7]陳康海.建筑工程施工階段的碳排放測算研究[D].廣州： 廣東工業(yè)大學， 2014.

[8]劉曉敏， 葉金國， 張云， 等.建筑碳排放核算及降碳價值實現(xiàn)機制研究——以河北省為例[J].環(huán)境保護與循環(huán)經(jīng)濟， 2024， 44（2）： 1-4，41.